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CANopen从站协议的设计与实现

gecimao 发表于 2019-05-25 21:56 | 查看: | 回复:

  CANopcn作为一种开放性好、标准化、低成本的基于CAN总线的应用层协议,目前已经广泛地应用于工业自动化领域。文章根据CANop-en DS301应用层协议规范,在以从节点协议栈总框架,并实现了其中的各种功能模块,整合成完整的协议栈,在搭建的实验平台上进行了协议栈的测试,实验表明:该协议栈功能完整,实时性满足使用要求。

  随着现代工业的发展,控制系统的规模与复杂度成倍增长,数据传输的吞吐量和可靠性要求也随之提升,现场总线技术就是在这种情况下被提出并迅速发展起来的。CAN总线是现场总线国际标准之一,它具有可靠性好、实时性高、抗干扰能力较强等优点,广泛应用于汽车和工业控制领域。但由于其只定义了物理层和数据链路层,并非一个完整的协议,在高级应用中需要应用层的支持,于是CANopen标准应运而生。

  CANopen是自动化CAN用户和制造商协会(CiA,CAN-in-Automation)定义的CAN总线应用层协议。它采用面向对象的思想设计,具有很好的模块化特性和很高的适应性。CANopcn不仅定义了应用层和通信子协议,还为大多数重要的设备类型定义了大量的规范,不同厂商遵循这些规范开发出的设备之间能够轻易实现互操作。

  CANopen作为基于CAN总线的高层协议标准,在发布后不久就获得了广泛的承认。尤其是在欧洲,CANopcn协议被认为是在基于CAN的工业系统中占据领导地位的标准。

  CANopen协议栈主要包含了两部分,一部分是通信规范,另一部分是设备规范。通信规范(CiA:DS-3011定义了基本的数据通信方式和特性,设备规范(CiA DSP 401-DSP4XX)则针对不同的设备类型进行了报文ID的分配和设备特征数据的定义,规范了设备的行为规范。其中通信规范是通用的,本文设计与实现的就是这一部分。

  在通信规范中,为了互操作性和兼容性,CANopcn设备都必须遵从标准的CANopen设备模型来进行软件设计,如图1所示。

  CAN通信接口通过操作CAN控制器,在总线上收发各种通信对象,来实现与其他CANopen节点基于协议规范的数据交互;对象字典是CANop-cn设备的核心,存储节点所有的信息,并向应用程序和通信对象提供访问接口;通信部分通过对对象字典进行操作,与其他节点交换各种通信对象实现CANopen操作;应用程序由用户根据应用要求和设备的具体任务自己实现。

  针对C8051F500单片机,实现了CAN驱动程序。CAN驱动程序负责完成CAN控制器的操作、报文收发、CAN错误处理等任务,由以下部分组成:1)CAN控制器的初始化,主要对CAN控制器的相关寄存器进行配置,包括波特率的设置,消息对象的配置,接收、发送屏蔽寄存器的设置;2)CAN发送程序,任务是将打包好的数据根据帧标识符,通过接口寄存器分发到相应的邮箱里,然后启动发送;3)CAN接收程序,由CAN中断处理程序来完成,负责将报文分配给各个通信模块处理。

  对象字典OD(Object Dictionary)是一个有序的对象组:每个对象采用一个16位的索引值来寻址,同时定义了一个8位的子索引用于访问数据结构中的单个元素。每个CANopen设备中都必须包含一个对象字典。对象字典分为了两部分,通用的通信子协议区域和特定的设备子协议区域,前者包含了描述这个设备通信行为的所有参数,后者包含了设备任务相关的所有数据。

  针对单片机计算资源紧缺的特点,对象字典实体采用二维静态结构体来实现,它具有结构简单、访问效率高等优点。读写函数与对象字典实体配套使用,目的是将对象字典封闭起来,有效地杜绝非法访问的情况,保障对象字典的数据安全。

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